CN108838577A

CN108838577A - 一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝

Info

Publication number: CN108838577A
Application number: CN201810611119.0A
Authority: CN
Inventors: 陈希章; 高闯
Original assignee: Wenzhou University
Current assignee: Wenzhou University
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2018-11-20

Abstract

一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，本发明采用高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，焊丝熔敷金属的显微组织为马氏体或者是含有少量残余奥氏体的混合组织，马氏体组织具有较高的强度和硬度，而奥氏体的韧性较好，通过合理控制两者的比例，可以使焊缝金属获得较为优异的力学性能，本发明通过调节各合金元素的成分，可以控制马氏体转变温度范围以及相变结束温度范围，从而可以利用相变产生体积膨胀来抵消部分或全部的热应力，甚至产生压应力，本发明无需焊前或者焊后处理，就可以在焊接的过程中克服高强钢残余应力集中的缺点，不仅降低了生产成本，而且在疲劳强度、抗应力腐蚀、抗裂纹等方面表现出了良好的性能。

Description

一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝

技术领域

本发明涉及焊接材料技术领域，特别涉及一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝。

背景技术

药芯焊丝也称为粉芯焊丝或者管状焊丝，它是当前世界最先进的新型焊接材料。具有焊丝成分可调、焊接效率高、焊接周期短、焊缝成型美观、焊接变形小等诸多优点，由于结构件选用的钢材强度越来越高，实芯焊丝已无法达到和满足设计要求，所以，各国都将药芯焊丝作为焊接高强结构的首选。

低合金高强钢具有强度高、塑韧性好及优良的焊接性能，逐渐取代碳钢广泛应用于工程机械、港口机械、汽车、铁路车辆、桥梁、化工、压力容器等行业，低合金高强钢相比于普通的碳钢，它的使用强度以及服役寿命提高了近一倍，在满足同等强度的条件下可以减轻自身重量，同时有效减少资源消耗，符合21世纪对材料高效、节约发展理念的要求，能够为我国的经济建设带来相当大的效益。成为我国未来钢铁材料研究和发展的主要方向。

此类钢在焊接的过程中，在热影响区易产生淬硬组织。并且产生残余拉应力，该力可促使裂纹的生产，并引起焊接结构件的脆性断裂，降低疲劳强度和抗应力腐蚀性，为了减少上述不利影响，许多技术被应用，如锤击、喷丸、焊后热处理和温差拉伸等技术。但是，由于这些技术的复杂性，会耗费大量的人力与物力，焊缝金属在冷却的过程中会产生组织转变，引起体积膨胀，进而产生相变应力，而该力属于压缩应力。传统的焊缝金属马氏体转变发生在500℃左右，此时受温度影响材料的屈服强度大幅下降，相变产生的应力对残余应力影响较小。通过合理控制焊丝中不同合金元素的含量，可以达到降低马氏体转变温度的目的，以期在低温区产生较大的马氏体相变膨胀量来抵消部分或全部的焊接热收缩，起到降低残余拉应力的作用。该方法不需进行焊前预热与焊后热处理，可有效降低焊接残余应力，不仅降低了生产成本，而且在疲劳强度、抗应力腐蚀、抗裂纹等方面表现出了良好的性能。

发明内容

为了克服以上方法的缺陷，本发明提供一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，利用新型药芯焊丝解决高强钢在焊接过程中残余应力集中的问题，从而延长焊接件的使用寿命。

本发明采用的技术解决方案是：一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，其特征在于，包括钢制外皮和药芯，所述的药芯位于钢制外皮内部，所述的药芯由药芯粉组成，所述的药芯粉由以下占药芯焊丝总质量的百分含量组成：C：0.02%—0.1%； Ni：6%—10%；Cr：7%—12%； Mo：0.2%—0.6%；Mn：0.4%—2%；Si：0.2%—0.6%；Cu：0.1%—0.5%；Ti：0.1%—0.25%；V：0.1%—0.3%；Ce：0.01%—0.08%；B：0.001%—0.008%；稳弧剂：0.02%—0.1%；去氢剂：0.2%—1.5%；余量为Fe。

所述的药芯焊丝由质量比75%—85%的钢制外皮和15%—25%的药芯组成。

所述的药芯粉由以下占药芯焊丝总质量的百分含量组成：C：0.03%—0.08%； Ni：6%—9%； Cr：7%—10%； Mo：0.2%—0.6%；Mn：0.4%—2%；Si：0.2%—0.6%；Cu：0.1%—0.5%；Ti：0.1%—0.25%；V：0.1%—0.3%；Ce：0.01%—0.08%；B：0.001%—0.008%；稳弧剂：0.02%—0.1%；去氢剂：0.2%—1.5%；余量为Fe。

所述的稳弧剂采用Na₂O和K₂O。

所述的去氢剂采用NaF或CaF₂。

所述的药芯焊丝的直径为1.2-2mm。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，本发明采用高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，焊丝熔敷金属的显微组织为马氏体或者是含有少量残余奥氏体的混合组织，马氏体组织具有较高的强度和硬度，而奥氏体的韧性较好，通过合理控制两者的比例，可以使焊缝金属获得较为优异的力学性能，本发明通过调节各合金元素的成分，可以控制马氏体转变温度范围以及相变结束温度范围，从而可以利用相变产生体积膨胀来抵消部分或全部的热应力，甚至产生压应力，本发明的高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝加入了少量的Ti、V及 Ce 等微量元素，来细化晶粒，从而使得熔敷金属强度和硬度提升的同时，韧性也提升，本发明无需焊前或者焊后处理，就可以在焊接的过程中克服高强钢残余应力集中的缺点，不仅降低了生产成本，而且在疲劳强度、抗应力腐蚀、抗裂纹等方面表现出了良好的性能。

附图说明

图1为本发明实施例设计的3组的药芯焊丝的舍弗勒相图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明内容，用具体实施例说明如下，具体实施例不限定本发明内容范围。

实施例

一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，包括钢制外皮和药芯，药芯粉填充在外皮内部，其中药芯各成分相对于焊丝的总重量的百分含量分别为：

C：0.02%—0.1%； Ni：6%—10%； Cr：7%—12%； Mo：0.2%—0.6%；Mn：0.4%—2%；Si：0.2%—0.6%；Cu：0.1%—0.5%；Ti：0.1%—0.25%；V：0.1%—0.3%；Ce：0.01%—0.08%；B：0.001%—0.008%；Na₂O和K₂O：0.02%—0.1%；NaF或CaF₂：0.2%—1.5%；余量为Fe及不可避免的杂质。

药芯焊丝中药芯的填充率为15%—25%，并且药芯焊丝的直径优选为1.2—2mm。填充率过大过小都会影响焊接性能，并且它和药芯焊丝的外钢带选择有密切关系。因此填充率是衡量药芯焊丝的重要因素。本药芯焊丝填充率选择为15%—25%。

该焊丝熔敷金属的马氏体相变开始温度控制在200℃左右，结束温度控制在室温附近。

焊丝熔敷金属的显微组织为马氏体或者是含有少量残余奥氏体的混合组织。

该高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝各组分的作用和功能如下：

Na₂O和K₂O：Na、K是主要的稳弧剂，含量过高或过少都会破坏工艺，含量适中时方可提高电弧稳定性，减少飞溅的产生，控制他们的含量在0.02%—0.1%范围内。

NaF或CaF₂，在本发明中作为去氢剂使用，可以降低焊缝中的扩散氢含量。加入量太少时，电弧稳定性不好，加入量太多时，焊接飞溅增多，控制他们的添加量在0.2%—1.5%范围内。

C元素是提高焊缝金属强度的重要元素，同时也是起到降低马氏体转变温度的主要元素，但焊材的焊接性能及接头的韧性随碳当量的增加而降低，合理控制焊缝填充材料的碳含量可改善焊材焊接性能及接头的韧性。C含量控制在0.02%—0.1%范围内。

Cr可以促进马氏体的生成，同时提高其稳定性。一定量的Cr、Ni元素相结合时，可提高钢的强度与塑性。但是随着Cr含量的增加焊缝金属通常会出现热脆倾向，Cr含量控制在7%—12%范围内。

Ni是促使基体获得稳定奥氏体组织的主要合金元素。当 Ni 同Mo、Cr元素共同使用的时候，会显著提高基体材料的淬透性。但镍含量过高时，会严重降低焊缝冲击韧性。Ni含量控制在6%—10%范围内。

Mn作为奥氏体稳定元素，可使基体得到稳定、均一的奥氏体组织。此外，与Ni 元素的作用相似，可以有效降低马氏体转变温度，因此在生产中可以用Mn代替部分Ni。但Mn 元素含量过高时，会大大降低焊缝金属的韧性。Mn含量控制在0.4%—2%范围内。

Mo可用来改善钢的热脆倾向，是钢材中常用的微量合金元素之一，焊缝中加入适量的Mo元素可以在不影响焊缝性能的前提下显著提高焊缝的强度。但当钼含量过高，将造成焊缝脆化。Mo含量控制在0.2%—0.6%范围内。

Si可起到脱氧的作用，也能提高淬透性。此外，加入适量的Si 在焊接的过程中可以提高熔敷金属的流动性，Si含量控制在0.2%—0.6%范围内。

Cu元素能够稳定奥氏体区，强化Ni元素的作用，加入适量Cu元素可以增强材料的强度与韧性。但是，Cu元素容易产生高温氧化，在焊接过程中的高温可能会导致Cu元素的氧化。并且Cu元素容易引起偏析，导致材料的局部缺陷，必须对其含量进行严格控制。Cu含量控制在0.1%—0.5%范围内。

此外在该高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝中加入适量的Ti、V、B、Ce多种可细化晶粒的元素，可同时提高焊丝熔敷金属的轻度和韧性。

焊丝设计

本发明根据上述质量比设计了3组焊丝LTT1，LTT2，LTT3，具体如下：

表1-1 低温相变焊丝成分设计（质量分数%）

其中C、Cr、Ni、Mn等元素对马氏体相变Ms有降低作用，保证焊缝具有低温相变的特征。考虑到焊缝的综合性能，可以添加适量Si、V、Mo、Cu、Ti、Ce等提高焊接接头的淬透性，同时细化晶粒，增强韧性。

对所设计的LTT焊丝按照下面的文献公式，进行理论上Ms 点计算：

理论马氏体相变点：

根据下面的文献公式，计算LTT焊丝的铬当量和镍当量，并结合舍弗勒相图(如图1所示)，对焊丝的组织进行估测分析。

理论铬当量和镍当量计算值：

如图1所示，图中1点代表LTT2焊丝组织范围，图中2点代表LTT1焊丝组织范围，图中3点代表LTT3焊丝组织范围，从舍弗勒相图中可初步看出，LTT1、LTT2、LTT3焊丝组织均为马氏体，所设计的三组LTT焊丝符合要求。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，其特征在于，包括钢制外皮和药芯，所述的药芯位于钢制外皮内部，所述的药芯由药芯粉组成，所述的药芯粉由以下占药芯焊丝总质量的百分含量组成：C：0.02%—0.1%； Ni：6%—10%； Cr：7%—12%； Mo：0.2%—0.6%；Mn：0.4%—2%；Si：0.2%—0.6%；Cu：0.1%—0.5%；Ti：0.1%—0.25%；V：0.1%—0.3%；Ce：0.01%—0.08%；B：0.001%—0.008%；稳弧剂：0.02%—0.1%；去氢剂：0.2%—1.5%；余量为Fe。

2.根据权利要求1所述的一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯焊丝由质量比75%—85%的钢制外皮和15%—25%的药芯组成。

3.根据权利要求1所述的一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯粉由以下占药芯焊丝总质量的百分含量组成：C：0.03%—0.08%； Ni：6%—9%； Cr：7%—10%； Mo：0.2%—0.6%；Mn：0.4%—2%；Si：0.2%—0.6%；Cu：0.1%—0.5%；Ti：0.1%—0.25%；V：0.1%—0.3%；Ce：0.01%—0.08%；B：0.001%—0.008%；稳弧剂：0.02%—0.1%；去氢剂：0.2%—1.5%；余量为Fe。

4.根据权利要求3所述的一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，其特征在于，所述的稳弧剂采用Na₂O和K₂O。

5.根据权利要求3所述的一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，其特征在于，所述的去氢剂采用NaF或CaF₂。

6.根据权利要求3所述的一种高强钢用低温相变金属粉型药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯焊丝的直径为1.2-2mm。